一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法技术

本发明专利技术属于交通运输车辆配件技术领域，涉及一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法。本发明专利技术利用石墨烯具有高强度、高导电性以及高导热性能的特点，采用石墨烯对炭/炭复合材料进行功能化改性，将石墨烯通过有机溶剂与树脂混合稀释后，加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，然后采用固化、炭化和石墨化工艺制得的石墨烯改性炭/炭复合材料受电弓滑板，其弯曲强度≥270MPa，剪切强度≥120MPa，冲击韧性≥2.7J/cm2，电阻率≤11.5μΩ.m，磨损率≤11.0mm/10000km，具有力学性能优异，机械强度高、抗冲击韧性好、电阻率低、自润滑性能好以及抗摩擦磨损能力强的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法
本专利技术属于交通运输车辆配件
，具体涉及一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法。
技术介绍
受电弓滑板是电力机车从供电接触网获取电能的关键部件，安装在受电弓的最上部，直接与接触网导线相接触。受电弓滑板在自然环境中工作，并且在运行中与接触网导线不断产生摩擦和冲击。受电弓滑板与接触网导线的关系构成一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，因此对选用材料的综合性能有严格的要求。作为电力机车从接触网上输入电能的关键部件即受电弓滑板在制备技术的改进和性能的改善等方面仍没有得到很好地解决,国内使用的受电弓滑板大多依赖进口,急需开发出符合实际使用工况的、性能优异的电接触滑动材料。滑板按材质主要分为金属基滑板和炭系滑板两大类，金属基滑板包括纯金属滑板和粉末冶金滑板；炭系滑板包括纯炭滑板和渗金属炭滑板。其中，纯金属滑板由于和接触导线材质相近，亲和力强，对接触导线磨耗十分严重，目前已淘汰。粉末冶金滑板分为铁基和铜基两种。铁基适用于钢铝接触导线，铜基适用于铜接触导线。粉末冶金滑板机械强度高，抗冲击性能较好，电阻率低，有一定的自润滑性，自身耐磨性好，使用寿命较长，一般可达3.5-7万公里，目前被广泛采用。但是，由于粉末冶金滑板的基材仍是金属体，与接触导线材质类似，粉末冶金滑板对接触导线磨耗仍十分严重。纯炭滑板的最大优点是自润滑性能优良，对接触导线磨损小。炭滑板滑动时电磁噪声小，且耐高温，耐弧性强，不易和接触导线发生焊附现象。但是炭滑板机械强度低，耐冲击性差，运行中遇到导线硬点易折断和破碎，炭滑板固有电阻大，接触温度高，有可能引起导线过热氧化，加速导线磨耗。浸金属炭滑板具有纯炭滑板对导线磨耗小和耐弧性强的特点，同时导电性和机械强度比纯炭滑板均有所提高。但是，浸金属炭滑板的机械强度，尤其是抗冲击强度有待进一步提高。根据资料检索，中国专利技术专利CN1178745A公开了一种炭-炭复合材料受电弓滑板，采用炭纤维增强炭基复合材料制造电力机车受电弓滑板，以镀铜碳粉为基体材料，采用短纤维作为增强剂，热固性树脂作为粘接剂，将原料混合进行冷压和热压，使热固性树脂固化成型，这种受电弓滑板材料摩擦磨损性能好，但是机械强度不高。中国专利技术专利CN101049803A采用针刺无纬布准三向结构预制体，通过化学气相沉积热解炭，树脂浸渍-炭化反复致密处理数次，制的密度≥1.70g/cm3的电力机车受电弓滑板材料，这种滑板虽然密度小，质量轻，机械强度高，但是电阻率较大，自润滑能力不强，对导线磨损较为严重。中国专利CN105152674A采用石墨烯和短切碳纤维进行混合得到石墨烯-短切碳纤维悬浮液；将预脱水的石墨烯-短切碳纤维悬浮液注入石墨模具中置于0℃以下冷冻，经冷冻干燥并经压力成型得到石墨烯-短切碳纤维增强体；将制备的石墨烯-短切碳纤维增强进行化学气相沉积热解炭定形，随后进行多次煤沥青浸渍-炭化，最后进行石墨化处理得到石墨烯改性炭/炭复合材料，所采用的的短纤维机械强度不高。中国专利CN101830723A采用高残炭的树脂溶液中加入硼催化剂和分散剂，再将其浸渍于炭纤维编织体中，之后经过加压固化处理和常压炭化处理，最后进行高温石墨化处理，制得的受电弓滑板虽然具有良好的摩擦性能和导电性能，但是采用纯树脂致密炭纤维编织体，经过高温处理由于树脂收缩会出现大量孔隙，使滑板整体强度下降，另外，树脂炭是硬炭，对导线的磨损量较大，不利于保护导线。中国专利CN105235529A将针刺炭纤维整体毡酸洗去除其表面的胶质并进行真空干燥；将处理后的针刺炭纤维整体毡浸泡入一定浓度的石墨烯溶液中，取出后沥干、干燥；将针刺炭纤维整体毡-石墨烯预制体浸泡入一定浓度的铜氨络合物溶液中；将引入铜的针刺炭纤维整体毡-石墨烯预制体放入化学气相沉积炉中沉积热解炭得到低密度的炭/炭复合材料，随后进行中温煤沥青的循环浸渍-炭化得到高密度的石墨烯-铜改性的炭/炭复合材料；将制得的复合材料按图加工得到高品质的受电弓滑板，所采用的的短纤维机械强度不高，性能方面有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，而提供一种工艺简单、致密效果好、机械强度高、导电性能好、抗摩擦磨损且具有自润滑能力的使用性能优异的电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：采用预氧丝毡针刺体作为预制体材料，预制体密度控制在0.12g/cm3-0.30g/cm3。步骤二：将步骤一中采用的预制体进行炭化处理。步骤三：将步骤二中处理后的预制体进行化学气相沉积致密，当密度≥1.15g/cm3时转入下道致密工序。步骤四：将石墨烯通过有机溶剂与树脂按一定比例进行混合稀释，石墨烯含量控制在0.5-2.5wt.％，搅拌均匀，得到浸渍混合物。步骤五：浸渍、固化、炭化处理：将步骤四中浸渍混合物加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，压力为1.0MPa-6.0MPa下进行浸渍2h-10h，然后进行固化处理，出炉后转炭化炉炭化处理，其炭化温度为800℃-1050℃，保温2h-5h，反复数次，至密度≥1.65g/cm3时转入下道致密工序。步骤六：将步骤五致密后的炭/炭复合材料坯体转高温石墨化炉内进行高温石墨化处理，在升温速率为5℃/h-200℃/h的条件下升温至1600℃-2500℃，然后保温2h-4h进行高温石墨化处理，自然冷却。步骤七：将步骤六高温石墨化处理后的炭/炭复合材料坯体再进行一次石墨烯、树脂混合物浸渍、固化、炭化处理，处理工艺同步骤五。步骤八：将步骤七出炉的炭/炭复合材料坯体经过机械加工后，制得电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板。上述的一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法，步骤一中所述的预氧丝毡针刺体布针密度为20针/cm2-80针/cm2。上述的一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法，步骤二中所述的预氧丝毡炭化处理温度为550℃-700℃，升温速率为2℃/h-20℃/h，保温时间1h-8h。上述的一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法，步骤三中所述的化学气相沉积致密工艺，升温速率为5℃/h-100℃/h，沉积温度为800℃-1050℃，沉积时间为50h-300h；采用甲烷和丙烷混合气作为碳源气体，其甲烷与丙烷的混合体积比例为1：0.5-6，气体流量为0.5m3/h-6.0m3/h。上述的一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法，步骤四中所述的树脂包括酚醛树脂、环氧树脂和糠酮树脂，有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠或二者按任意比混合物。上述的一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法，步骤五和步骤七中所述的固化温度为120℃-200℃，炭化升温速度为5℃/h-80℃/h。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、与传统电力机车受电弓滑板的制备技术相比，本专利技术利用石墨烯具有高强度、高导电性以及高导热性能的特点，采用石墨烯对炭/炭复合材料进行功能化改性，将石墨烯通过有机溶剂与树脂混合稀释后，加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，然后采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：采用预氧丝毡针刺体作为预制体材料，预制体密度控制在0.12g/cm3‑0.30g/cm3；步骤二：将步骤一中采用的预制体进行炭化处理；步骤三：将步骤二中处理后的预制体进行化学气相沉积致密，当密度≥1.15g/cm3时转入下道致密工序；步骤四：将石墨烯通过有机溶剂与树脂按一定比例进行混合稀释，石墨烯含量控制在0.5‑2.5wt.％，搅拌均匀，得到浸渍混合物；步骤五：浸渍、固化、炭化处理：将步骤四中浸渍混合物加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，压力为1.0MPa‑6.0MPa下进行浸渍2h‑10h，然后进行固化处理，出炉后转炭化炉炭化处理，其炭化温度为800℃‑1050℃，保温2h‑5h，反复数次，至密度≥1.65g/cm3时转入下道致密工序；步骤六：将步骤五致密后的炭/炭复合材料坯体转高温石墨化炉内进行高温石墨化处理，在升温速率为5℃/h‑200℃/h的条件下升温至1600℃‑2500℃，然后保温2h‑4h进行高温石墨化处理，自然冷却；步骤七：将步骤六高温石墨化处理后的炭/炭复合材料坯体再进行一次石墨烯、树脂混合物浸渍、固化、炭化处理，处理工艺同步骤五；步骤八：将步骤七出炉的炭/炭复合材料坯体经过机械加工后，制得电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板。...

【技术特征摘要】
1.一种电力机车用石墨烯改性炭/炭受电弓滑板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：采用预氧丝毡针刺体作为预制体材料，预制体密度控制在0.12g/cm3-0.30g/cm3；步骤二：将步骤一中采用的预制体进行炭化处理；步骤三：将步骤二中处理后的预制体进行化学气相沉积致密，当密度≥1.15g/cm3时转入下道致密工序；步骤四：将石墨烯通过有机溶剂与树脂按一定比例进行混合稀释，石墨烯含量控制在0.5-2.5wt.％，搅拌均匀，得到浸渍混合物；步骤五：浸渍、固化、炭化处理：将步骤四中浸渍混合物加压浸入多孔的经过化学气相沉积处理后的炭/炭复合材料坯体内，压力为1.0MPa-6.0MPa下进行浸渍2h-10h，然后进行固化处理，出炉后转炭化炉炭化处理，其炭化温度为800℃-1050℃，保温2h-5h，反复数次，至密度≥1.65g/cm3时转入下道致密工序；步骤六：将步骤五致密后的炭/炭复合材料坯体转高温石墨化炉内进行高温石墨化处理，在升温速率为5℃/h-200℃/h的条件下升温至1600℃-2500℃，然后保温2h-4h进行高温石墨化处理，自然冷却；步骤七：将步骤六高温石墨化处理后的炭/炭复合材料坯体再进行一次石墨烯、树脂混合物浸渍、固化、炭化处理，处理工艺同步骤五；步骤八：将步骤七出炉的炭/炭复合材料坯体...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵海成，刘桂武，乔冠军，张相召，赵立军，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32